Fundamentos de Electrónica Laboratório

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Sara de Almeida Aranha
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1 Fundamentos de Electrónica Laboratório Díodo de Junção Semicondutor Regime Estacionário IST-2013/2014 2º Semestre

2 Objectivos Com este trabalho pretendem atingir-se dois objectivos: a. Determinar experimentalmente a característica estacionária i D (v D ) de um díodo de junção semicondutor para duas temperaturas diferentes. Comparar esses resultados com os obtidos por simulação com o programa SPICE. b. Verificar experimentalmente o funcionamento de alguns circuitos com díodos e comparar os resultados com os obtidos através da utilização dos modelos analíticos estudados e da simulação com o programa SPICE. Lista de Material O equipamento utilizado neste trabalho é o seguinte: 1. Estufa para ensaio de circuitos a diferentes temperaturas 2. Gerador de funções Agilent 33120A 3. Gerador de funções FG Multímetros Agilent 34401A Osciloscópio Tektronix TDS 340A 6. Placa de circuito impresso, figura 1, com os seguintes componentes a. Díodo 1N4002 b. Díodo emissor de luz (LED) c. Resistências 1kΩ, 10kΩ, 1ΜΩ

3 A. Preparação do Laboratório I. Característica estacionária do díodo 1. O díodo que será ensaiado é de silício e tem a referência D1N4002. A característica teórica é dada por: v D nu i T D = IiS e 1 2. Utilizando o programa SPICE, e o modelo do díodo D1N4002 existente na sua biblioteca, obtenha a característica i D (v D ) do díodo para 20ºC, 35ºC e 50ºC. a. Para simular o díodo desenhe no SCHEMATICS o circuito da Fig.1. I + - E D1 Fig.1 Circuito para obter a característica estacionária do díodo em PSPICE. b. Entre em Analysis Setup e escolha as seguintes opções: (1) DC Sweep (a) Swept Var. Type Voltage Source (b) Name Nome da fonte VDC que aparece no desenho, e.g., V1. (c) Sweep Type Linear (d) Start value 0 End value 0.65V Increment 10mV (e) OK De novo em Analysis Setup escolha (2) Parametric (a) Swept Var. Type Temperature (b) Sweep Type Value List (c) Values (d) OK c. Feche a janela Analysis Setup e execute a simulação. 3. Observe a variação das características i D (v D ) e, para I D =1,35 ma, obtenha uma estimativa do valor da variação por grau celsius da tensão de polarização v D. 4. Observe a variação das características i D (v D ) e diga como variam os parâmetros, I is e u T com a temperatura e qual o parâmetro preponderante no comportamento observado? 2

4 II. Aplicações 1. Circuito rectificador de meia-onda Considere o circuito da Fig.2(a) em que v i =V M senωt com V M = 3 V, ω=2πf e f=50hz. Admita que o díodo pode ser descrito por um modelo linear por troços como representado na figura 1 (b). Nestas condições: D1 i D ~ v I R v O 0 V γ v D (a) (b) Fig.2 (a) Circuito rectificador de meia-onda. (b) Modelo linear por troços da característica i D (v D ) do díodo D1. R=1kΩ, v I =V M senωt, ω=2πf, f=50hz, V M =3 V, D1 1N4002, V γ =0,6V.. a. Determine analiticamente v O (t) e represente graficamente v O (t) e v I (t) e trace a característica v O (v I ). b. Simule o circuito com o programa SPICE e represente graficamente v O (t) e v I (t). 2. Circuito limitador Considere o circuito da Fig.3 em que v I =V M senωt com V M =6 V, ω=2πf e f=50hz. Nestas condições: R ~ v I D1 D2 v O Fig.3 Circuito limitador. R=1kΩ, v I =V M senωt, ω=2πf, f=50hz, V M =6 V, D1 1N4002, D2 LED, V γ =0,6V, V γled =1,4V. 3

5 a. Determine analiticamente v O (t) e represente graficamente as tensões v O (t) e v I (t). Admita que os díodos podem ser descritos por um modelo linear por troços como representado na figura 1 (b). b. Como se alterará v O (t) se a temperatura aumentar? c. Simule o circuito com o programa SPICE e represente graficamente v O (t) e v I (t). Simulação PSPICE do LED Para simular o díodo LED pode efectuar os seguintes passos: 1) Seleccione um díodo genérico da lista, Dbreak 2) Edite o modelo para este diodo 3) No modo de edição mude o nome para LED 4) Faça Is=2e-16 5) Introduza n=2 6) Introduza EG=2.0 7) Memorize estes valores, que ficarão associados a este díodo no circuito. Este modelo muito simples será suficiente para simular o LED. Contudo, se se pretender utilizar um modelo mais completo pode consultar a página com o endereço 4

6 B. Trabalho experimental I. Medida da característica estacionária de um díodo de junção Ligue a estufa e ajuste a temperatura no seu interior para 20ºC. Efectue a montagem do circuito representado na Fig.4. Multímetro Agilent 34401A Multímetro Agilent 34401A A A B INPUT VΩ LO INPUT VΩ LO v D S 1 D R 1 R 2 A v R B v i OUTPUT 50Ω Gerador de Funções Agilent 33120A Fig.4 Circuito de medida da característica i D (v D ) do díodo de junção. R 1 =1MΩ; R 2 =1kΩ; D=D1N Ligue o computador. Entre na área alunos e abra o ficheiro de EXCEL denominado díodo1. 2. Programação do gerador de funções Agilent 33120A: a. Ligue o gerador. Carregue no botão OFFSET mais de 2s. Aparece a indicação 0.000V DC (funciona como uma fonte de tensão contínua). b. Rodando o botão cilíndrico no lado direito do visor ajuste os sucessivos valores de tensão v i. O valor real da tensão é sempre o dobro do indicado no visor. 3. Variando a tensão em v i meça os sucessivos valores das tensões v R e v i quando v i varia entre -10V (-5V no visor) e 10V(5V no visor) nas seguintes condições: a. Para v i menor que 0,5V (0,25 no visor) ligue o interruptor S 1 a A (R 1 =1MΩ). b. Para v i maior ou igual a 0,5V (0,25 no visor) ligue o interruptor S 1 a B (R2=1kΩ). Preencha a tabela de valores existente no programa díodo1 para a temperatura ambiente. 4. Modifique a temperatura da estufa para 35ºC. Para v i = 2 V (1 V no visor) registe os valores das tensões v R e v i. 5. Para a temperatura ambiente determine os valores de I is e n esperados. Para tal utilize 2 pontos da característica na vizinhança de v D =0,4 V. 6. Determine experimentalmente dv D /dt para I D na vizinhança de 1,35 ma. 5

7 II. Aplicações 1. Circuito rectificador de meia onda Efectue a montagem do circuito rectificador de meia onda representado na Fig.5. Canal 2 D1 OSCILOSCÓPIO Canal 1 ~ v I R v O Fig.5 Circuito rectificador de meia onda. D1 D1N4002 R = 1 kω. Com uma tensão sinusoidal v I de amplitude 3 V e frequência 50Hz: a. Observe no osciloscópio as curvas da tensão v O (t), da tensão v I (t) e v O (v I ) e imprima-as. Para obter v O (v I ), carregue no botão Display do osciloscópio e no menu Format escolha a opção modo xy. b. Compare os resultados experimentais com os resultados teóricos e de simulação. 2. Circuito limitador Efectue a montagem do circuito limitador representado na Fig.6. Canal 2 R OSCILOSCÓPIO Canal 1 ~ v I D1 D2 v O Fig.6 Circuito limitador. R = 1 kω, D1 1N4002, D2 LED. Com uma tensão sinusoidal v I de amplitude 6 V e frequência 50Hz: a. Observe no osciloscópio as curvas da tensão v O e da tensão v I e imprima-as. b. Compare os resultados experimentais de a. com os resultados teóricos e de simulação. 6

8 c. Substitua o díodo D1 pelo díodo de zener Dz, notando que a sua polaridade está invertida. Observe e imprima as curvas v O e v I. Interprete o andamento de v O (t). 7

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